一种基于系统采样时钟量化的无人机测距方法*

1 引 言

在无人机测控系统中，地空双向距离测量是一项非常重要的功能[1]，一般通过测量上、下行信号的双向传输时延来获取地空之间的距离信息。在无人机测距分系统中，常用的测距方法包括伪码测距[2-4]和信息帧测距[5-7]等。伪码测距方法利用上、下行信号伪码之间的相位关系实现地空双向距离的测量，但伪码测距方法的上、下行信号参数之间具有较强的约束关系，呈明显的相干特性。信息帧测距方法的上行链路仍旧使用传统的伪码扩频模式，下行链路则利用遥测数据流的帧标志完成机/地测距信息的检测。该方法要求遥测数据流呈周期性无中断发送，且测距精度与遥测数据流的帧标志抖动具有较强的关联性，这在一定程度上限制了信息帧测距方法在无人机测控领域的使用。

在实际工程中，为适应复杂多径环境的使用需求，具有优良抗多径衰落性能的(Single Carrier Frequency Domain Equalization,SC-FDE)高速数据链已经被引入到无人机测控系统的下行遥测/数传链路中，实现了机载传感器数据以及高清图像数据等信息的一体化高速传输。由于SC-FDE高速数据链具有按SC-FDE数据块传输的特性，SC-FDE数据块将会对遥测数据流进行按块切割，此时遥测数据流无明显的帧周期特性，因此，传统信息帧测距方法将不能直接应用于该体制下的数传链路。

本文在相关无人机测控/数传系统课题研究的基础上，结合传统信息帧测距方法以及SC-FDE高速数据链传输特性，提出了一种基于系统采样时钟量化的无人机测距方法，通过将机/地测距信息分别量化至机/地系统采样时钟计时器，实现地空双向测距的功能。同时，对本方法的测距精度问题进行了讨论和分析，并在地空链路测试平台上对算法进行了相关测试，给出了实验结果及结论。

五是扎实做好基础保障性工作。财务管理三项机制得到有效落实，财政支付进度达到序时要求，海委直属工程供水水价改革政策得到积极推进。不断加强人才队伍建设，稳妥推进事业单位分类改革，进一步规范企业负责人薪酬管理。扎实开展群众路线教育实践活动，严格执行中央八项规定，积极查摆“四风”问题，完成规章制度梳理清理工作。党风廉政、审计、精神文明建设、工会、老干部等工作得到规范加强，和谐海委建设不断深化。

2 无人机测控系统测距工作原理

无人机测控系统主要包括两部分：地面站链路部分和机载链路部分。图1和图2分别给出了上下行链路系统组成以及工作原理，测距部分所涉及的模块均在原理框图中进行了重点标明。

图1 无人机测控系统上行链路 Fig.1 Uplink of UAV TT&C system

图2 无人机测控系统下行链路 Fig.2 Downlink of UAV TT&C system

采用截尾量化[9]法对上行码元同步标志以及下行SC-FDE块同步标志进行采样量化，则量化误差的均方根值σc可表示为

3 基于系统采样时钟量化的测距方法

基于系统采样时钟量化的无人机测距方法利用系统采样钟计时器来进行地空距离测算，将地空双向距离值、机载处理时延以及码环跟踪抖动相位等测距信息量化到机/地系统采样时钟计时器上。图3给出了基于系统采样时钟量化的测距方法工作流程。

图3 基于系统采样时钟量化的测距方法工作流程 Fig.3 Therange measurement working process based on system sampling clock quantization

图3中Tup表示上行遥控帧周期，Tdown表示下行SC-FDE块周期，上/下行链路采用非对称波形设计，上行链路采用扩频+BPSK波形，下行采用SC-FDE+QPSK波形，且一般情况下Tup>Tdown，在一个遥控帧周期内，将出现N次SC-FDE块，且N=Tup/Tdown。在上行遥控帧1的周期内，下行SC-FDE块1～N内包含的上行遥控帧计数器均为1。对于下行SC-FDE块1，地空之间的双向总距离值为TG1+ΔtG1,机载系统处理时延为TU1+ΔtU，则地空之间的单向距离值为

(1)

式中：

c=3×108m/s，

(2)

TG1=TG，clk×(cntG，receive1-cntG，send1)，

(3)

(4)

TU1=TU，clk×cntU，send1，

(5)

(6)

式(3)～(6)中：TG，clk和TU，clk分别为地面和机载系统采样时钟周期；fG，clk和fU，clk分别为地面和机载系统采样率；TG1为遥控帧1和SC-FDE块1之间的地空双向距离时延；cntG，receive1为收SC-FDE块1时的地面系统计时器值，cntG，send1为发遥控帧1时的地面系统计时器值；ΔtG1为收SC-FDE块1时块同步抖动时延；ΔθG1为收SC-FDE块1时的块同步抖动相位，地面接收机定时同步在4倍符号率上处理，因此ΔθG1的取值为0、1、2、3，式(4)将块同步抖动相位量化为地面系统采样时钟的个数，则量化出的系统采样时钟个数即反映了抖动相位的抖动延时；Rb为下行SC-FDE块符号速率；TU1为机载收遥控帧1和发SC-FDE块1之间的机上系统处理时延，cntU，send1为发SC-FDE块1时的机载系统计时器值；ΔtU为收遥控帧1时的机载码环跟踪抖动时延，对于同一个遥控帧周期内，该抖动时延适用于该周期内的所有SC-FDE块，ΔθU为收遥控帧1时的机载码环跟踪抖动相位，利用24 bit存储该相位值，式(6)将该抖动相位量化为机载系统采样时钟个数，则量化出的系统采样时钟个数即反映了抖动相位的抖动延时；RPN为上行遥控扩频码速率。

综合以上测距精度分析，可得到基于系统采样时钟量化的无人机测距方法的随机误差均方根为

(7)

式中：

TGN=TG，clk×(cntG，receiveN-cntG，send1)，

(8)

(9)

TUN=TU，clk×cntU，sendN，

(10)

cntU，sendN=cntU，send1+(N-1)×Tdown/TU，clk。

(11)

式(8)～(11)中：TGN为遥控帧1和SC-FDE块N之间的地空双向距离时延，cntG，reveiveN为收SC-FDE块N时的地面系统计时器值，ΔtGN为收SC-FDE块N时块同步抖动时延，ΔθGN为收SC-FDE块N时的块同步抖动相位；TUN为机载收遥控帧1和发SC-FDE块N之间的机上系统处理时延，cntU，sendN为发SC-FDE块N时的机载系统计时器值。式(1)和式(7)分别表示一次完整的测距过程，测距周期与下行SC-FDE块周期一致。

4 测距精度分析

看来李老黑对我说的话比较满意，对李金枝的表现也比较满意，他的黑脸松下来了。胜利你既然想通了，我也不过分要求你，事情操办得简单一点，越快越好。

(12)

式中：RPN为码速率，Bl_up为码环跟踪带宽，Bs为相关积分器带宽，Cup/N0为上行信号载噪比。选取RPN=5 Mchip/s，Bl_up=50 Hz，Bs=42 kHz，Cup/N0=58 dBHz，代入式(12)，则σa≈1.34 ns。

ΔθGN的随机误差的均方根为

(13)

式中：ξ为同步环路积分比例系数，Bl_down为同步跟踪带宽，Cdown/N0为下行信号载噪比。选取Rb=2 Mbit/s，ξ=0.5，Bl_down=50 Hz，Cdown/N0=75 dBHz，代入式(13)，则σb≈0.63 ns。

上行链路采用扩频BPSK传输体制。首先，地面调制器完成编码、扩频以及BPSK调制后，将上行信号发射出去；机载接收机完成上行信号的BPSK解调和解扩后，提取相关测距信息至机载调制器。下行链路采用遥测/数传一体化的SC-FDE高速数传体制。机载调制器完成SC-FDE数据块复接以及QPSK调制后，将下行信号发射出去；地面站接收该信号，完成QPSK解调以及SC-FDE同步和均衡后，提取机/地测距信息，完成地空双向距离的测算。

(14)

式中：fclk表示机/地系统采样率。一般情况下，系统采样率越高，上述标志信号的采样误差越小，结合硬件平台的工作能力以及系统波形设计方案，选取120 MHz作为机/地系统采样时钟，则σc≈2.4 ns。

如图3所示，在上行遥控帧1的周期内，对于下行SC-FDE块N，地空之间的双向总测距值为TGN+ΔtGN，机载系统处理时延为TUN+ΔtU，则地空之间的单向距离值为

(15)

则测距误差为

ΔR=c×σ=0.85 m 。

(16)

5 数值分析

5.1 地空链路有线测试平台

图6为在系统传输路径上增加高频电缆之后的地空链路单向测距结果，利用矢量网络分析仪对该段高频电缆进行了长度标定，该段高频电缆的电磁波传输延迟等效于8 m自由空间传输延迟，对当前测距结果同样进行1 000次统计平均，去掉系统距离零值后，可得到地空链路单向距离均值约为95.0 m，均方差约为0.12 m，单向距离值最大抖动误差为0.4 m。与增加高频电缆之前相比，测距均值增加了7.9 m，基本等效于自由空间传输延迟。

图4 地空链路有线测试平台工作流程 Fig.4 The workflow of air-ground link test platform

利用高频电缆代替机/地收发天线，并在上、下行双工器之间搭建多径信道模拟器，模拟地空复杂多径环境，通过调节噪声源输出分别标定上/下行接收信号载噪比。根据实际参数设置，上行遥控速率为38.4 kbit/s，上行伪码速率为5 Mchip/s，机上接收机的上行信号载噪比为58 dBHz，下行SC-FDE块符号速率为2 Mbit/s，地面接收机的下行信号载噪比为75 dBHz，机/地系统采样时钟均采用120 MHz。

无人机测控系统中的测距误差主要来源于地空测距设备引入的误差和电磁波大气折射误差，其中电磁波大气折射误差可通过电磁波传输模型进行修正，这里主要分析地空测距设备引入的误差。从式(4)和式(6)可知，机/地系统采样时钟量化的测距方法的测距精度主要取决于上行信号的码跟踪相位ΔθU和下行信号的定时同步相位ΔθGN的随机误差，以及机/地系统采样时钟计时量化误差。其中ΔθU和ΔθGN的随机误差计算方法在文献[8]中已经给出,ΔθU的随机误差的均方根为

声音测量本身优势明显，在故障诊断和判断的过程中，做好放电过程中的声音分析。高压电缆的线芯对绝缘层的放电量确定有严格的要求，要求注意的是直流耐压试验测试，对电力故障系统进行判断和分析。电容量达到固定的电压值后，结合听觉对故障位置进行判断。更为重要的是敷设在地下电缆发生故障后，对电缆的走向进行确定，在最大放电声音区域放大设备，对故障位置查找，利用低音器进行电缆走向分析，在各个区域进行仔细的检查。同步分析和检查很重要，在网络规划设计中，进行同步设计，保证网络灵活性符合要求[1]。

5.2 测距结果及分析

本文所提的基于系统采样时钟量化的无人机测距方法与传统的伪码测距和信息帧测距相比，在工程实用性方面具有以下优势：

图5 系统测距结果(增加高频电缆前) Fig.5 System range results(before increasing HF cable)

利用机载/地面链路设备搭建地空链路有线测试平台，测试平台的工作原理如图4所示。

图6 系统测距结果(增加高频电缆后) Fig.6 System range results(after increasing HF cable)

表1为在传输路径上增加不同长度高频电缆的测距结果，测量过程中利用矢量网络分析仪对所有高频电缆进行了等效自由空间传输延迟标定。

表1 传输路径上增加不同长度高频电缆的测距结果 Tab.1 Range results after increasing different HF cable on the transmission path

等效自由空间传输延迟/m测距均值(1000次)/m均方差值/m最大抖动误差/m87．90．120．42020．20．230．75049．80．190．7

5.3 算法实用性分析

图5为一次完整的系统测距结果，其中ranging_send_time表示上行遥控帧发送时地面系统计时器值cntG，send，ranging_recv_time表示收SC-FDE块N时地面系统计时器值cntG，receiveN，ranging_before_minus_delta表示地空之间的双向测距粗延时Tcoarse=TGN-TUN，ranging_after_minus_delta表示地空之间的双向测距精延时Tfine=(TGN+ΔtGN)-(TUN+ΔtU)，精延时即表征了地空之间信号双向传输所需的有效时延。精延时与粗延时相比，去除了地面SC-FDE块同步抖动时延以及机载码环抖动时延的影响，避免了测距值大幅跳变现象的出现。ranging_result表示地空单向测距值LN，单位为0.1 m，通过多次测量当前地空链路单向测距值LN，标定链路系统距离零值355 500 m。对当前测距结果进行1 000次统计平均，可得地空链路单向距离均值约为87.1 m，统计结果的均方差约为0.18 m，单向距离值最大抖动误差为0.5 m。结合式(16)测距精度分析结果，本方法的实际测距均值符合理论计算值。

(1)继承了伪码测距和信息帧测距的上行扩频信号形式，仅针对下行SC-FDE高速数据链信号形式进行了重新设计。针对后续工程应用而言，新测距方法沿用了现有无人机测控系统设备的上行链路状态，减少了设备的改造规模和周期，同时满足了SC-FDE高速数据链数据包按块传输的特性，使下行测距信息不再受遥测信号按信息帧周期无间断传输的限制，去除了下行测距信息与下行遥测信息的关联性。

1.尚未形成专门的主管机构,或者管理机制。从可持续城市发展的历程来看,虽然不同部委,从不同的关注角度开展了一系列试点示范工作,但国家层面包括地方层面目前尚未形成统筹开展可持续发展规划和实施的主管机构或者管理机制，可持续城市的实践还相对比较缺乏中长期的统一规划和行动部署。随着多规融合、多规合一工作的推进和统筹落实《2030可持续发展议程》,可持续城市的发展规划和工作协调机制有望得到加强。

(2)通过式(4)和式(13)可以看出，本方法的SC-FDE块同步抖动的随机误差均方根与下行遥测符号速率相关，随着下行遥测符号速率的增加，随机误差均方根值将减小，测距性能将得到提升。在实际系统中，将对下行遥测数据进行信道编码(如LDPC编码)，编码后符号速率增加，测距性能将得到进一步改善。同时，信道编码增强了遥测信息传输的可靠性，提升了测控系统以及测距分系统的性能。

6 结 论

在查阅国内外相关文献并结合相关无人机测控系统工程课题的基础上，本文提出了一种基于系统采样时钟量化的无人机测距方法，推导了本方法测距流程公式，并分析了算法的测距精度。地空链路有线测试平台实验结果表明，本方法在复杂多径环境下测量地空双向距离时，实际测距均值与等效自由空间传输延迟一致，距离均方差值以及最大抖动误差满足算法的理论测距误差设计值。本方法在某型无人机测控系统外场校飞过程中进行了实际飞行测试，并利用第三方距离标校设备对本方法的测距结果进行实时验证。本测距方法已经成为无人机测控系统中一项行之有效的地空双向距离测量方法。

不难看出，图1和图 2刻画的是始源和目标的结构，基于始源和目标之间的映射、迁移的过程就是借助概念网络将两个概念体系刻画出来的过程,也是人工智能中知识表达的过程。

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